Leerboek metabolisme en voeding

Hoofdstuk 1 bespreekt de structuur en functie van de belangrijkste biomoleculen. Eerst bekijken we de koolhydraten (suikers), die goede brandstof zijn maar ook uitblinken als structuurgevende moleculen. De tweede groep zijn de lipiden (vetten), die met hun apolaire groepen grenzen vormen in een ‘levende waterwereld’ (biologische membranen). Vetten leveren tevens uitmuntende brandstof. De derde groep biomoleculen bestaat uit proteïnen (eiwitten), die opgebouwd zijn als een ketting van twintig soorten aminozuren. Proteïnen staan centraal in het uitvoeren van metabole functies, zoals enzymen, hormonen en receptoren. De vierde groep biomoleculen bestaat uit informatiedragende nucleïnezuren RNA (ribonucleïnezuur) en DNA (desoxyribonucleïnezuur). DNA bevat de erfelijke informatie die de eiwitten coderen om een mens te laten functioneren; RNA is de vanuit DNA afgeschreven informatie die een interface maakt tussen DNA en eiwitten.

Hoofdstuk 2 geeft een overzicht van metabolisme. Anatomisch is het een netwerk van paden, zoals het stratenplan van een stad, waarlangs het verkeer van moleculen (metabolieten) naar alle gewenste bestemmingen gaat. We onderscheiden katabolisme (de afbraak en verbranding van biomoleculen) van anabolisme (de opbouw van biomoleculen uit bouwstenen). Functioneel is metabole flux belangrijk: dit is de intensiteit van het metabolietenverkeer die overeen moet stemmen met de behoeften van het lichaam. Hierbij worden drie doelstellingen bereikt: het leveren van voldoende energie (ATP), het leveren van voldoende bouwstenen en het leveren van reducerend vermogen (NADPH) voor reductieve biosynthese. Belangrijk is dat de metabole flux geregeld wordt tot het gewenste niveau. Dit gebeurt dankzij flux-controlerende enzymen waarvan het aantal of de activiteit kan veranderen door de inwerking van hormonen op de cel. In dit verband bekijken we stofwisselingsziekten (inborn errors of metabolism) die niet alleen de flux verstoren, maar ook metabolieten kunnen doen opstapelen.

Hoofdstuk 3 bespreekt de glycolyse, de splitsing van glucose in twee moleculen pyruvaat. Deze weg wordt voorafgegaan door opname van glucose via glucosetransporters: eiwitkanaaltjes in de celmembraan. De glycolyse verloopt in tien, door specifieke enzymen gekatalyseerde, reacties die in drie fasen kunnen worden onderverdeeld. Tijdens de eerste fase worden twee ATP geïnvesteerd en ontstaat uit glucose het fructose-1,6-bisfosfaat. In de tweede fase wordt fructose-1,6-bisfosfaat omgezet in twee glyceraldehyde-3-fosfaat, die in de derde fase worden gemetaboliseerd tot twee moleculen pyruvaat (nettowinst 2ATP). Pyruvaat kan in de mitochondria verder worden geoxideerd tot CO₂, maar bij een cellulair gebrek aan zuurstof wordt pyruvaat gereduceerd tot lactaat (anaerobe glycolyse). Een afgeleide van de glycolyse, het 2,3-bisfosfoglyceraat, regelt de zuurstofafgifte door rode bloedcellen aan de weefsels. De glycolyse is niet alleen katabool, maar sluit ook aan op anabole paden, zoals de pentosefosfaatweg en de vetzuursynthese. Regeling van de glycolytische flux gebeurt via fructose-2,6-bisfosfaat, dat fosfofructokinase-1 activeert.

Hoofdstuk 4 behandelt de mitochondriale koolstofverbranding van voor de mens belangrijke brandstoffen. Mitochondria zijn katabool bijzonder actieve celorganellen die opgebouwd zijn uit twee membranen, een intermembraanruimte en de centraal gelegen matrix. We beginnen met de verbranding van pyruvaat die verloopt via de oxidatieve decarboxylering tot acetyl-CoA en de verbranding van deze laatste tot CO₂ in de citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus – beide vinden plaats in de matrix). De citroenzuurcyclus werkt als een metabole cirkel met negen enzymatische reacties; hierbij ontstaan naast CO₂ energierijke elektronen (NADH en FADH₂) en GTP. Andere bronnen van acetyl-CoA ontstaan uit vetzuren (dit na opname door de cel, vetzuuractivatie, acylcarnitine-import en mitochondriale bèta-oxidatie), ketonlichamen (brandstof die de lever maakt uit vetzuren tijdens de gevaste toestand) en aminozuren. De citroenzuurcyclus kan ook anabool werken als vertrekpunt voor de synthese van vetzuren, heem en aminozuren. Via anaplerose (bijvoorbeeld pyruvaatcarboxylase) worden verbruikte citroenzuurcyclusmetabolieten weer aangevuld.

In H. 5 wordt uitgelegd hoe de eerder in het katabolisme gevormde energierijke elektronenparen van NADH en FADH₂ worden gebruikt om ATP te produceren. Deze oxidatieve fosforylering gebeurt in de binnenste mitochondriale membraan via een aantal eiwitcomplexen die de redoxenergie van de elektronenparen omzetten in een elektrochemisch potentiaal van een protonengradiënt. Een belangrijke component van deze complexen zijn cytochromen die hun redoxreacties uitvoeren zonder veel kans op ongewenste reacties, zoals vorming van zuurstofradicalen. Pas de allerlaatste elektronenacceptor is dizuurstof, dat wordt gereduceerd tot water. De nuttige energie van de protonengradiënt wordt vervolgens in complex V (mitochondriaal ATP-synthase) gebruikt voor de reactie ADP + Pi ⇒ ATP. Een samenspel van de complexen I-V zorgt voor een flux van oxidatie die afgestemd is op de flux van ATP-synthese (respiratoire koppeling). In de aanwezigheid van UCP’s (‘uncoupling proteins’) ontstaat echter een protonenlek zonder ATP-synthese (respiratoire ontkoppeling).

We hebben tot nu toe een beeld geschetst van de metabole paden die de gemiddelde lichaamscel van voldoende energie voorzien. In H. 6 maken we kennis met bijzondere metabole paden in gespecialiseerde cellen die het energievraagstuk onder bijzondere omstandigheden helpen oplossen. We beginnen met de aanmaak en afbraak van glycogeen (respectievelijk glycogeensynthese en glycogenolyse). Glycogeen vertegenwoordigt een beperkte hoeveelheid reservebrandstof in de lever (tussen de maaltijden: bufferen van bloedglucoseconcentratie) of in de witte spiervezels (contracties: synthese van ATP). De regeling van beide processen is reciprook en verloopt via reversibele (de)fosforylering van glycogeensynthase en fosforylase. De stofwisselingsziekten van deze wegen veroorzaken glycogeenopstapeling (glycogenose). Het leverglycogeen vertegenwoordigt slechts een beperkte hoeveelheid energie waarmee we het hooguit één dag kunnen redden. Als we langdurig vasten, moet het lichaam beroep doen op de twee grote strategische energievoorraden: de vetreserve en de reserve aan mobiliseerbare spiereiwitten. De lever zal de afbraakproducten van lichaamsvet en spiereiwitten omzetten tot nuttige brandstof die van levensbelang is voor de werking van de hersenen. De eerste weg is de gluconeogenese, een proces waarin glucogene aminozuren, glycerol en lactaat worden omgezet in glucose. De ketogenese is de metabole weg waarmee de lever ketogene aminozuren en vrije vetzuren omzet tot de bijzonder goede brandstof bèta-hydroxybutyraat en acetoacetaat. De strategie van een gecombineerde gluconeogenese en ketogenese stelt de mens in staat om enkele maanden lang te overleven zonder voedsel.

Hoofdstuk 7 bekijkt de aanmaak van nieuwe vetzuren en cholesterol vanuit de gemeenschappelijke bouwsteen acetyl-CoA. Beide reductieve syntheseprocessen vergen geactiveerde bouwstenen: malonyl-CoA voor vetzuursynthese en isopentenylpyrofosfaat voor cholesterolsynthese. De vorming van malonyl-CoA is de fluxcontrolerende stap; de eigenlijke synthesereacties gebeuren via het vetzuursynthase, een multifunctioneel enzym. Het voltooide C-16 vetzuur kan door elongasen en desaturasen nog worden verlengd of worden voorzien van cis-dubbele bindingen. De fluxcontrolerende stap van de cholesterolsynthese is het HMG-CoA-reductase. Naast de novo cholesterolsynthese kunnen cellen ook cholesterol opnemen via receptorgemedieerde endocytose van low density lipoproteïne (LDL). Andere belangrijke lipoproteïnen die cholesterol kunnen bevatten, zijn chylomicronen, very low density lipoproteïne (VLDL) en high density lipoproteïne (HDL). Deze laatste brengt overtollig cholesterol van de periferie naar de lever, die cholesterol uitscheidt als galzouten. Cholesterolopstapeling in de bloedvaten leidt tot atherosclerose. Dit proces kan worden tegengegaan door cholesterolverlagende maatregelen, zoals een aangepast dieet en statinen, geneesmiddelen die het HMG-CoA-reductase remmen. Zowel vetzuursynthese als cholesterolsynthese vragen naast de bouwstenen voor het koolstofskelet ook een grote hoeveelheid NADPH om dit koolstofskelet te reduceren. In belangrijke mate wordt deze NADPH geleverd door de pentosefosfaatweg.

Hoofdstuk 8 bespreekt enkele belangrijke afgeleide moleculen van vetzuren en cholesterol. De metabole verklaring is dat vetzuren en cholesterol aan de basis liggen van vertakte stambomen van synthesereacties. Sommige van deze afgeleide moleculen spelen een rol als signaaloverdragende moleculen. Van vetzuur afgeleide moleculen vinden we in de vorm van triglyceriden (vet in vetcellen), membraanlipiden, maar ook als eicosanoïden. Tot deze laatste groep behoren prostaglandinen en leukotriënen, die onder andere een rol spelen bij bloedplaatjesaggregatie en ontstekingsreacties. Belangrijke van cholesterol afgeleide moleculen zijn galzouten, die de vetvertering in de darm ondersteunen, en de steroïdhormonen, zoals de bijniersteroïden (cortisol, aldosteron en dehydro-epiandrosteron) en de geslachtssteroïden (oestrogenen en testosteron). Ten slotte bespreken we vitamine D, dat in de huid als cholesterolafgeleide ontstaat en via lever en nier tweemaal wordt geoxideerd tot calcitriol, dat een rol speelt in het calciumhuishouding van het lichaam. De vele soorten hydroxyleringsreacties voor de van cholesterol afgeleide moleculen worden gekatalyseerd door leden van de cytochroom-P₄₅₀-familie. Deze familie speelt ook een rol in fase 1 van de detoxificatie van allerlei ongewenste stoffen (xenobiotica), een belangrijk aspect van het geneesmiddelenmetabolisme.

Hoofdstuk 9 behandelt een netwerk van metabole wegen waarin een aantal voor de mens belangrijke aminozuren met elkaar verbonden worden. We beginnen met de twintig verschillende aminozuurbouwstenen die nodig zijn voor de eiwitsynthese. Een deel hiervan, de niet-essentiële aminozuren, kan door ons eigen metabolisme worden aangemaakt. In tegenstelling hiermee staan de essentiële aminozuren, die alleen via de voeding in het lichaam kunnen worden opgenomen. Aminozuren kunnen ook worden afgebroken, waarbij het stikstofafval in de lever veilig tot ureum wordt verwerkt, dat in de urine wordt uitgescheiden. Zonder deze metabole werking van de lever zou het lichaam door opstapeling van ammoniak worden vergiftigd. We bespreken ook stofwisselingsziekten van het aminozuurmetabolisme, zoals alkaptonurie, albinisme en fenylketonurie. We eindigen het hoofdstuk met belangrijke van aminozuren afgeleide moleculen. Voorbeelden hiervan zijn heem dat we vinden in hemoglobine en in cytochromen, en de hormonen adrenaline en schildklierhormoon.

In H. 10 bekijken we het metabolisme van purine- en pyrimidinebasen. Deze basen zijn afgeleiden van vier niet-essentiële aminozuren (glycine, serine, glutamine, aspartaat). De de novo synthese van nieuwe basen wordt onderscheiden van de salvageweg, het hergebruik van eerder gemaakte basen. De basen worden geplaatst op een geactiveerde ribosebouwsteen (PRPP) en een netwerk van kinasen zorgt voor een evenwicht tussen alle (desoxy)ribonucleotiden die cellen nodig hebben. De substraatkieskeurigheid van ribonucleotidereductase zorgt voor een evenwicht tussen de vier bouwstenen voor DNA-synthese. Aanmaak van thymine uit uracil vereist thymidylaatsynthase en dihydrofolaatreductase, twee enzymen die vaak doelwit zijn in chemotherapie van kankerpatiënten. De stikstof in overtollige pyrimidinebasen wordt uitgescheiden als ureum; purinebasen worden via het xanthineoxidase omgezet tot urinezuur, dat door de nieren wordt uitgescheiden. Hyperurikemie, een te hoge urinezuurconcentratie in het bloed, kan leiden tot jicht, een chronische metabole ziekte met crisissen die wordt uitgelokt door een combinatie van risicogenen en omgevingsfactoren, zoals voeding.

Hoofdstuk 11 behandelt talrijke raakpunten tussen voeding en metabolisme. Een evenwichtige voeding levert alle noodzakelijke bouwstenen voor het anabolisme, maar ook voldoende brandstof voor het energiemetabolisme. We beginnen met de onderverdeling tussen essentiële en niet-essentiële voedingsstoffen (de eerste moeten in het voedsel zitten, want de mens kan die niet zelf aanmaken). Dan bekijken we de aanbevolen dagelijkse hoeveelheid (ADH) van voedingsstoffen, zowel vanuit het standpunt dat tekorten moeten worden vermeden, maar ook dat er geen excessieve inname mag gebeuren; dit met aandacht voor de invloed van leeftijd, geslacht en zwangerschap. We bespreken daarna de dagelijkse inname van macronutriënten: water en energie (vooral ingenomen als koolhydraten en vetten) en eiwitten. Wat betreft voedingseiwit besteden we aandacht aan begrippen als eiwitkwaliteit, limiterend aminozuur, complementatie en proteïne-energiemalnutritie. Dan volgen de micronutriënten (mineralen en vitaminen). Aandachtspunten zijn frequente tekorten (vitamine A, ijzer, zink, jodium) en de relatie tussen het vitamine B-complex en co-enzymen.

In H. 12 integreren we eerder aangebrachte elementen tot een globaal beeld van het lichaamsmetabolisme. We bekijken eerst de metabole verschillen tussen organen en twee belangrijke parameters: het handhaven van een normale bloedglucoseconcentratie (glucosehomeostase) en het bewaken van een normale voorraad van triglyceriden (vetreserve). Aandacht verdienen de sterke invloed van de voedingstoestand (gevoed, tussen maaltijden, vasten) en hoe insuline, glucagon, adrenaline en cortisol de flux in metabole wegen veranderen. Ook besteden we aandacht aan metabole veranderingen in skeletspieren om kortstondige of langdurige arbeid te ondersteunen. Vervolgens bekijken we diabetes (suikerziekte) als ontsporing van de glucosehomeostase en de rol van pancreatische bèta-cellen die ofwel vernietigd worden door het immuunsysteem (type-1-diabetes) ofwel slecht functioneren (type-2-diabetes). We eindigen met obesitas, een steeds groter wordend probleem voor de mensheid. Net als diabetes is obesitas een vorm van complexe ziekte. Vele risicogenen die elk kleine bijdragen leveren, interageren met een obesogene leefomgeving waarin voeding, beweging en bewuste keuze voor een gezonde levensstijl een rol spelen.